물리 실험실에서 인지 부하와 상황적 흥미: 설계·탐구·게임 학습 비교 연구

초록

본 연구는 비전공 대학생을 대상으로 설계‑기반, 탐구‑기반, 게임‑기반 세 가지 실험실 수업 방식이 인지 부하와 상황적 흥미에 미치는 영향을 비교하였다. 두 개의 물리 영역(역학·전기 회로)에서 각각 3회 실험을 진행하고, 인지 부하 설문(내재·외재)과 상황적 흥미 설문을 적용해 일원배치 분산분석(ANOVA)으로 차이를 검증하였다. 결과는 게임‑기반 실험실이 가장 낮은 인지 부하와 가장 높은 상황적 흥미를 유발했으며, 탐구‑기반과 설계‑기반은 영역에 따라 인지 부하와 흥미 수준이 달라지는 것으로 나타났다.

상세 분석

이 논문은 최근 개정된 인지 부하 이론(CLT)을 기반으로, 내재 인지 부하(ICL)와 외재 인지 부하(ECL)만을 측정 대상으로 삼아 기존의 복합적 개념(특히 germane load)과의 혼동을 최소화하였다. 연구 설계는 동일 집단 내에서 세 가지 교수법을 순차적으로 적용함으로써 개인 차이와 학습 순서 효과를 통제했으며, 결측 데이터를 최소화하기 위해 결석 학생을 제외한 완전 사례(N=54, N=47)를 분석에 포함하였다.

인지 부하 설문은 7점 리커트 척도로 구성된 5문항(내재 2문항, 외재 3문항)을 사용했으며, 이는 선행 연구에서 검증된 도구를 그대로 차용해 신뢰성을 확보하였다. 상황적 흥미는 원래 12문항이던 척도를 각 하위 차원당 하나씩, 총 3문항으로 축소했는데, 이는 내재 인지 부하와의 개념적 연계성을 강화하려는 의도였다. 다만 문항 수 감소는 측정 타당도에 영향을 미칠 가능성이 있어 향후 연구에서 보완이 필요하다.

두 실험(역학, 회로) 모두 동일한 실험 흐름을 따랐으며, 각 실험은 설계‑기반, 게임‑기반, 탐구‑기반 순서로 진행되었다. 실험실 내용은 동일 주제(에너지 보존, 회로 전압·전류)지만, 물리적 구현 방식이 다르다. 예를 들어, 역학 탐구 실험은 실제 경사면에서 공을 굴리는 실험과 PhET 시뮬레이션을 결합했으며, 설계 실험은 롤러코스터 설계 과제를, 게임 실험은 점수 기반 인터랙티브 게임을 제공하였다.

통계 분석은 일원배치 ANOVA를 사용했으며, 모든 조건에서 유의한 차이가 발견되었다(p<0.05). 사후 검증(Tukey) 결과, 게임‑기반이 가장 낮은 ICL·ECL 평균값을 보였고, 상황적 흥미 점수 역시 최고였다. 역학 분야에서는 설계‑기반이 탐구‑기반보다 약간 높은 외재 부하를 보였으나, 회로 분야에서는 두 방법 간 차이가 미미했다. 이는 학습 내용의 구체성(역학은 체험 기반, 회로는 추상적)과 교수법의 적합성이 상호작용했을 가능성을 시사한다.

연구는 인지 부하와 상황적 흥미가 역전 관계에 있음을 확인했으며, 이는 학습 설계 시 인지 부하를 최소화하는 동시에 흥미를 고취시키는 요소를 통합해야 함을 의미한다. 특히 게임‑기반 학습이 ‘플로우’를 유도해 인지 자원을 효율적으로 배분하고, 즉각적인 피드백과 명확한 목표 설정을 통해 외재 부하를 억제한다는 점이 강조된다. 그러나 게임 설계의 질에 따라 부하가 증가할 위험도 존재하므로, 난이도 조절과 학습 목표와의 정렬이 필수적이다.

한계점으로는 (1) 동일 집단 내 순서 효과를 완전히 배제하지 못했으며, (2) 상황적 흥미 설문을 축소함으로써 하위 차원의 차이를 포착하지 못했음, (3) 비전공 학생에 국한된 표본이므로 일반화에 제한이 있다. 향후 연구에서는 교차 설계(cross‑over)와 장기적 관심도(개인적 흥미) 변화를 추적하고, 게임 설계 요소를 세분화해 인지 부하와 흥미에 미치는 구체적 메커니즘을 규명할 필요가 있다.